Производство азотной кислоты под повышенным давлением

Введение

В настоящее время азотная кислота является одним из исходных продуктов для получения большинства азотсодержащих продуктов. Основная ее часть (до 70%) расходуется на производство удобрений. В производстве минеральных удобрений используется неконцентрированная азотная кислота концентрацией 47−60%. Мощности по производству неконцентрированной азотной кислоты, как правило, сбалансированы с мощностями переработки производства нитрата аммония (аммиачная и известково — аммиачная селитра, растворы КАС, плав аммиачной селитры) и сложных удобрений, получаемых азотно-кислотным или азотн о — сернокислотным разложением фосфатного сырья. Небольшая часть неконцентрированной азотной кислоты используется также для получения концентрированной азотной кислоты и для других целей.

Лидирующее положение в мире по имеющимся мощностям в производстве азотной кислоты занимают: Российская Федерация, Западная Европа, Северная Америка и Центральная Европа. На их долю приходится около 80% мировых мощностей. В настоящее время и по мощностям, и по производству азотной кислоты Россия занимает первое место в мире, ее доля составляет 17%. Второе место в мировом производстве азотной кислоты принадлежит США. Значительными мощностями располагают: Китай, Румыния, Нидерланды, Франция, Украина и Узбекистан.

Структура производства неконцентрированной азотной кислоты по технологическим процессам за последние 30 лет ХХ века претерпела существенные изменения. В конце 80-х и в начале 90-х годов ХХ века были выведены из эксплуатации старые производства под атмосферным давлением.

Мировое производство азотной кислоты в обозримой перспективе стабилизируется на достигнутом уровне или немного снизится, так как нитратный азот как удобрение применяется преимущественно в развитых странах Европы и Северной Америки. Нарастающее ужесточение экологических требований в этих регионах не позволяет надеяться на увеличение норм внесения азотных удобрений под сельскохозяйственные культуры в этой части мира. Более того, последнее десятилетие характеризовалось снижением потребления минеральных удобрений в Западной Европе.

В сельском хозяйстве России основным одинарным азотным удобрением является аммиачная селитра. И сегодня это удобрение составляет основную долю в поставках азотных удобрений отечественному сельскому хозяйству. К сожалению, в России нынешние фактические нормы внесения удобрений в почву многократно ниже агрохимически обоснованных. Это приводит к нарастающей деградации почвы и снижению урожайности культур, как в количественном, так и в качественном отношении. Такая ситуация не может продолжаться вечно. Таким образом, в о бозримой перспективе будет нарастать увеличение доли поставок азотных удобрений отечественному сельскому хозяйству за сет увеличения использования мощностей в производстве азотной кислоты.

1 Технологическая часть.

1.1 Выбор метода производства (или выделение) готового продукта Современные методы производства азотной кислоты основаны на применении синтетического аммиака и воздуха.

Многолетние поиски новых промышленных методов:

— связывание атмосферного азота в высокочастотном разряде;

— термический способ, основанный на использовании тепла сгорания газов, например метана при температуре выше 2200° С пока не дали результатов, позволяющих осуществить их реализацию в промышленных масштабах. По этим методам получаются оксиды азота сравнительно низкой концентрации, обычно она составляет 1,5 — 2% объемных NO, потому переработка их в азотную кислоту связана со значительными затратами и усложнением технологического и конструктивного оформления производственного процесса.

Промышленные системы производства неконцентрированной азотной кислоты различаются главным образом по давлению, при котором осуществляются основные стадии процесса.

В зависимости применяемого давления их можно условно подразделить на следующие группы:

1) Системы, работающие при атмосферном давлении.

Такие системы отличаются простотой оборудования, несложностью его обслуживания, сравнительно низкими расходами аммиака, катализатора, охлаждаюжей воды и электроэнергии.

К их недостаткам относятся: большие капитальные затраты, связанные с необходимостью расходования значительного количества специальных дорогостоящих сталей; получение азотной кислоты пониженной концентрации (не выше 50%); необходимость строительства дорогостоящего отделения для улавливания щелочами оксилов азота, содержащихся в отходящих газах, и специального цеха для пеработки получена только после ввода в эксплуатацию всей системы.

2) Системы, работающие под повышенным давлением.

Важнейшей особенностью систем производства азотной кислоты под абсолютным давлением 0,73 МПа является наличие газотурбинного привода.

Благодаря наличию газотурбинного агрегата в системах, работающих под давлением 0,73 МПа, полностью компенсируются затраты электроэнергии на на производство азотной кислоты; избыток энергии используется в общезаводской сети. Эти системы отличаются также высокой степенью обезвреживания отходящих газов путём каталитического разложения содержащихся в них оксидов азота; повышенной концентрацией продукционной азотной кислоты; высоким уровнем автоматизации всех процессов; меньшим капиталовложениями на строительство и в 2,5−3 раза большей мощностью агрегатов по сравнению с комбинированной системой (абсорбция под Р=0,34 МПа).

К недостаткам схемы относят: повышенный удельный расход аммиака и платинового катализатора; необходимость применения природного или другого горючего газа, что не позволяет считать систему универсальной для всех районов производства азотной кислоты.

3) Системы, работающие комбинированным методом (конверсия аммиака производится при атмосферном или относительно невысоком давлении, а абсорбция оксилов азота при 0.35−0.7 МПа) Комбинированный метод производства азотной кислоты характеризуется тем, что в этих системах достигается высокая степень окисления аммиака, меньше потери катализатора.

К недостаткам данных систем следует отнести большие размеры контактных аппаратов, и как следствие сложное техническое обслуживание и большие капитальные вложения на строительство отделений конверсии аммиака; большее количество агрегатов по сравнению с системами, работающими под повышенным давлением, а также малую производительность агрегатов, повышенный расход электроэнергии, трудности создания агрегатов большой производительности и агрегатов, мощностью свыше 50 тыс. т/год Рассмотря все вышеперечисленные методы производства, проанализировав их достоинства и недостатки, следует сделать вывод, что проектируемое производство азотной кислоты будет работать под единым повышенным давлением 0,73 МПа.

1.2 Теоретические основы процесса. Выбор оптимальных параметров Процесс производства азотной кислоты под повышенным давлением состоит из двух основних стадий: окисление аммиака до оксида азота и его переработка с образованием азотной кислоты. Вторая стадия включает окисление оксида азота и последующее поглощение их водой.

Стадия окисление аммиака в оксид азота в общем виде выражается уравнением:

4NH3 + 5О2 = 4NO + 6Н2О + 904 кДж (1.1).

Стадия окисления оксида азота в высшие оксиды азота и переработка их в азотную кислоту осуществляется согласно реакциям:

2NO + О2 = 2NO2 + 124 кДж (1.2).

3NО2 + Н2О = 2НNO3 + NO + 136.2 кДж (1.3).

Суммарную реакцию без учета побочных реакций, происходящих с образованием элементарного азота и других соединений, представляют в виде:

NH3 + 2О2 = НNO3 + Н2О + 421.1 кДж (1.4).

1.2.1 Теоретические основы каталитического окисления аммиака Каталитическое окисление аммиака является сложным процессом и может с одинаковой степенью вероятности протекать как до целевого продукта диоксида азота, так и до молекулярного азота и оксида азота.

В общем виде процесс каталитического окисления аммиака можно представить следующими уравнениями реакций:

4NH3 + 5О2 = 4NO + 6Н2О + 904 кДж (1.1).

4NH3 + 4О2 = 2N2O + 6Н2О + 1104,4 кДж (1.5).

4NH3 + 3О2 = 2N2 + 6Н2О + 1268,8 кДж (1.6).

Кроме основных реакций (1.1), (1.5), (1.6), в зависимости от условий окисления аммиака могут протекать и другие побочнык реакции. Все они приводят к образованию молекулярного азота.

Так, образовавшийся по уравнению (1.1) диоксид азота может разлагаться по реакции (1.7):

2NO = N2 + O2 + 180.6 кДж (1.7).

или взаимодействовать с аммиаком по реакции (1.8):

4NH3 + 6NO = 5N2 + 6H2O + 1810.5 кДж (1.8).

Аммиак, поступающий с аммиачно-воздушной смесью (АВС), разлагается до молекулярного азота и молекулярного водорода, причем последний затем сгорает с образованием паров воды:

2NH3 = N2 + 3H3 — 91.6 кДж (1.9).

Таким образом, для проведения процесса окисления аммиака с целью получения оксида азота нужен не только активный, но и весьма селективный катализатор. Он должен обладать избирательным действием и может влиять только на одну из реакций и не оказывает воздействия на другие реакции. Для осуществления реакции необходимо, чтобы реакционная система обладала повышенным запасом энергиеи активации.

В качестве катализаторов используют сплавы платины с родием, палладием и рутением. Они обладают высокой (>1500°С) температурой плавления, легко поддаются механической обработке, ковке, а Pd и Pt — еще и сварки. С платиной металлы Rh, Pd и Ru образуют сплавы в виде непрерывного ряда твердых растворов. Эти сплавы обладают лучшими механическими свойствами по сравнению с чистой платиной.

В производстве азотной кислоты платиноидные катализаторы применяются в виде сеток. Эта форма удобна в эксплуатации, характеризуется минимальным вложением платиноидов, позволяет применять наиболее простой и удобный в эксплуатации тип контактного аппарата и обеспечивает высокую поверхность соприкосновения газа с катализатором в процессе реакций.

Практически все эти реакции могут считаться необратимыми. При нормальных условиях небольшую термодинамическую вероятность имеет реакция (1.6), поэтому при поджигании факела аммиака он горит на воздухе с образованием молекулярного азота.

Процесс окисления аммиака с точки зрения адсорбционно-химической теории катализа можно представить следующим образом. Кислород и аммиак диффундируют из газовой смеси к поверхности катализатора. Вследствие высокой температуры контактирования ковалентная связь между атомами в молекулах этих газов ослаблена. Так как скорость диффузии кислорода выше скорости диффузии аммиака, в первую очередь происходит активированная адсорбция кислорода, сопровождаемая образованием электронной связи с атомами платины, имеющими свободные валентности. В результате возникает комплекс катализатор — кислород.

Образование молекулярного азота происходит при неполном покрытии поверхности катализатора кислородом (недостаток кислорода в газе) и за счет протекания побочных реакций в объеме за катализатором.

Ряд исследований показал, что процесс каталитического окисления аммиака имеет диффузионный характер.

Для реакции каталитического окисления аммиака характерны зависимость скорости от линейной скорости газа, незначительное время контактирования (), относительно низкая энергия активации (до 2,5 кДж/моль), что свойственно диффузионным процессам.

Остальное время контактирования может быть представлено как отношение свободного объема катализатора (,), и объемной скорости газа в условиях конверсии ().

Изучение кинетики окисления аммиака до оксида азота сильно осложняется протеканием параллельных побочных реакций, конечным продуктом большинства из которых является молекулярный азот.

Реакция разложения оксида азота может протекать сразу после появления NO в газе, но скорость этой реакции намного меньше скоростей реакций (1.1), (1.5),(1.6).

Наиболее существенным параметром, оказывающим значительное влияние на выход оксида азота, является температура.

Появление оксида азота на платиноидных катализаторах наблюдаются при температурах около 300 °C. При дальнейшем повышении температуры, выход оксида азота увеличивается как за счет уменьшения проскока аммиака, так и в результате снижения содержания в продуктах реакции, то есть при проявлении катализатором большей селективности к реакции (1.5). Максимальный выход наблюдается при 900 — 920 °C. На чистой платине он достигает 96%, на сплавах Pt — Rh — Pd — Ru — 99%. При этих температурах вторым продуктом окисления является молекулярный азот.

Значительное влияние на выход оксида азота оказывает концентрация кислорода в АВС. При использовании воздуха максимально возможной концентрацией аммиака в АВС, при которой достигается высокие выходы оксида азота, является 11,0 — 11,5% и []: [] ~ 1,7, причём это характерно для температур 870 — 900 °C. При более низких температурах (750 — 800 °С) содержание в АВС должно быть снижено примерно до 10% объемных.

Как правило, выход NO при проведении процесса конверсии под давлением несколько ниже, чем в сравнимых условиях при атмосферном давлении. Снижение степени конверсии вызывается не самим фактором повышения давления, а предкатализом, более резко выраженным влиянием каталитических ядов, увеличение напряжённости катализатора и некоторыми другими явлениями.

При повышении давления необходимое время контактирования возрастает и тем больше, чем ниже температура. Оптимальное время контактирования не изменяется при изменении концентрации аммиака и числа сеток.

Повышение давления в процессе конверсии позволяет увеличивать линейную скорость и напряжённость катализатора. Изменение этих параметров требует увеличения числа катализаторных сеток.

Несомненное влияние на выход оксида азота имеет линейная скорость газа. В условиях процесса окисления аммиака её влияние не равноценно влиянию времени контактирования, вследствие, одновременного протекания ряда других параллельных и последовательных реакций с участием аммиака, кислорода и диоксида азота.

Естественно, невозможно уменьшать напряжённость и линейную скорость газа до безгранично малых значений, т. к. при этом увеличиваются капитальные вложения в узле конверсии, возрастает обратная диффузия аммиака и возникает вероятность воспламенения АВС.

При окислении аммиака, как и во всем каталитическом процессе, платиноидный катализатор подвергается воздействию реакционной среды. Вследствие высоких температур, присутствие химических реакций окисления аммиака, воздействия примесей, поступающих с газами, и других явлений происходит изменение структуры катализаторных сеток, в частности, разрыхление их поверхности, увеличение размеров кристаллов. Эти изменения, приводящие к потерям массы катализатора, зависят как от технологических условий процесса, так и от физико-химических свойств сплава сеток.

Окисление платины происходит по реакции:

Pt (тв) + О2(г) = PtO2 +172.9 кДж (1.10).

Зависимость константы равновесия этой реакции от температуры имеет вид:

Kp= -8925/T — 0.8861 + 0.5596lgT-0.2557*10−3 -0.765*105T-2 (1.11).

Потери платиноидного катализатора возрастают при использовании на стадии конверсии воздуха, обогащенного кислородом.

При окислении аммиака на поверхности катализатора появляются грани зерен, внутри которых различаются каналы травления. В дальнейшем на поверхности нити вообще не остается чистых зон; происходит деформация кристаллической решетки сплава платины с быстрым увеличением удельной поверхности. Такое превращение поверхности катализатора при воздействии химической реакции названо каталитической эрозией.

На катализатор воздействуют также некоторые соли, попадающие с воздухом. Наибольшее разрушение поверхности катализатора вызывают оксиды, гидроксиды и карбонаты натрия и калия, меньше корродируют поверхность хлориды и сульфиды этих металлов. Попадая на катализатор при высоких температурах, эти соли проникают в кристаллическую решетку, образуя с его компонентами легкоплавкие соединения.

Вложения и потери платиноидов могут быть снижены: путем оптимизации технологических условий конверсии; путем разработки катализаторных сплавов с добавками более тугоплавких и менее подверженных окислению металлов, чем платина; заменой в сетках части нитей из платиноидных сплавов на нити из жаростойких сплавов других металлов; переходом на двухступенчатое окисление аммиака с использованием в качестве второй ступени недефицитных оксидных катализаторов.

Удельные потери платиноидов снижаются в результате разработки различных способов улавливания — химического связывания паров и аэрозолей и механической фильтрации, нитрозных газов через различные волокнистые материалы.

Первый способ — осуществляется по двум направлениям: связывание паров платиноидов различными металлами за счет внедрения атомов платины в кристаллическую решетку сплава с образованием твердых растворов; использование оксидов некоторых металлов, устойчивых в условиях конверсии и обладающих свойством взаимодействовать с парами благородных металлов. Исследованиями установлено, что в условиях конверсии более всего пригодны такие металлы, как золото, палладий, серебро, их сплавы и некоторые другие редкие металлы.

Недостатком способа являются большие вложения золота и палладия, значительные потери палладия.

Для повышения степени улавливания разумно применять одновременно с химическим связыванием также и механическое фильтрование. Механические фильтры используют в зависимости от термостойкости метериала как на стадии конверсии (температура 800 — 900°С), так и при температурах 250 — 350 °C.

В качестве фильтрующих компонентов наибольшее распространение получили фильтры из волокнистых материалов, в частности, стекловолокон. Эффективность работы таких фильтров в общем случае зависит от состава используемого материала, его физико-химических и механических свойств, размера волокон, толщины слоя волокна, скорости газа, размера частиц платиноидов и некоторых других факторов.

Потери катализатора будут тем меньше, чем ниже температура конверсии, линейной скорости газа и время пробега сеток. Тщательная очистка аммиака и воздуха также снижает потери катализатора, уменьшая эрозию легкоплавящимися примесями.

Если для достижения высоких выходов оксида азота окисление аммиака желательно вести при повышенных температурах, то для уменьшения возрастающих при этом потерь дорогостоящего катализатора — платины необходимо ограничить верхний температурный предел процесса. Так, для установок, работающих при повышенном давлении температура составляет 880 — 930 °C.

Для увеличения производительности аппарата и возможности упрощения контактного узла, работающего под давлением, процесс необходимо вести под повышенным давлением 0,73 МПа.

1.3 Характеристика исходного сырья и готовой продукции. Государственные стандарты В производстве неконцентрированной азотной кислоты в качестве сырья используется аммиак, воздух и вода. Вспомогательными материальными и энергетическими ресурсами являются катализаторы окисления аммиака и очистки выхлопных газов, природный газ, пар и электроэнергия. Готовой продукцией является слабая азотная кислота. Побочные продукты — перегретый пар и" хвостовые" газы.

1.3.1 Исходное сырье Газообразный аммиак [NH3]. Молекулярная масса-17. В обычных условиях представляет собой бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, образует гемии моногидраты.

Содержание примесей в жидком аммиаке регламентируется ГОСТ 6221–90. Наиболее типичными примесями являются вода, смазочные масла, катализаторная пыль, окалина, карбонат аммония, растворенные газы (водород, азот, метан). При нарушении Государственного стандарта, содержащиеся в аммиаке примеси могут попасть в аммиачно-воздушную смесь и снизить выход оксида азота (II), а водород и метан могут изменить пределы взрываемости АВС.

Газообразный аммиак — бесцветный газ с резким запахом (порог восприятия обонянием 35 мг/м3), легче воздуха, плотность газа по воздуху — 0,59 (при 25°С), хорошо растворим в воде. В воздухе горит плохо, в кислороде — хорошо. В смеси с воздухом газообразный аммиак способен образовывать взрывоопасные концентрации в пределах 15,0?28,0% об. С повышением давления нижняя граница взрывоопасной концентрации аммиака в аммиачно-воздушной смеси снижается. Вызывает острое раздражение слизистых оболочек, слезоточение, удушье. При тяжелых отравлениях может быть отек легких.

Предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе рабочей зоны помещения — 20 мг/м3.

Жидкий аммиак — бесцветная жидкость. Температура кипения жидкого аммиака при атмосферном давлении -34°С. При температуре -77,7 °С жидкий аммиак застывает в белоснежную кристаллическую массу. Жидкий аммиак, попадая на кожу, вызывает сильные ожоги.

Воздух. Для технических расчетов принимают, что сухой воздух содержит процентов объемных: N2 — 78,1, О2 — 21,0, Ar2 — 0,9; Н2О- 0,1−2,8.

В воздухе могут присутствовать также следы SO2, NH3, CO2. В районе промышленных площадок воздух загрязнен пылью различного происхождения, а также разнообразными компонентами неорганизованных газовых выбросов (SO2, SO3, H2S, С2Н2, Cl2 и др.). Количество пыли в воздухе составляет 0,5−1,0 мг/м3.

Вода — используется в производстве азотной кислоты для орошения абсорбционной колонны, для выработки пара при утилизации тепла в котлах-утилизаторах, для охлаждения реакционных аппаратов. Для абсорбции оксидов азота используют чаще всего паровой конденсат и химически очищенную воду. В некоторых схемах разрешено применять конденсат сокового пара аммиачной селитры. В любом случае вода, используемая для орошения колонн, не должна содержать свобідного аммиака и твердых взвесей, содержание хлорид-иона долино бать не более 2мг/л, масла — не более 1мг/л, NH4NO3-не более 0,5 г/л. Химически очищенная вода для котлов-утилизаторов должна соответствовать требованиям ГОСТ 20 995–75. Техническая вода, предназначенная для отвода тепла в теплообменниках и охлаждения оборудования (оборотная вода), должна соответствовать следующим требованиям:

Жесткость карбонатная, мэкв/кг…не более 3,6.

Содержание взвешенных веществ, мг/кг…не более 50.

Значение pH…6,5?8,5.

Природный газ. Он представляет собой газовую смесь состава: СН4 — 97,5% об.; С3H8 — 0,15% об.; СО2 — 0,5% об.;С2H6 — 0,25% об.

Азотная кислота [HNO3]. жидкость желтоватого цвета с едким запахом, на воздухе дымит. Готовый продукт должен соответствовать ОСТ 113−03−270−90.

Удельный вес 58−60% продукционной кислоты при температуре 15 0С составляет 1,375 кг/м3. Азотная кислота вызывает ожоги кожного покрова и слизистых оболочек. Животные, растительные ткани при действии азотной кислоты разрушаются. Органические вещества (бумага, масла, древесина, тряпки и т. п.) при соприкосновении с концентрированной азотной кислотой воспламеняются, и может быть взрыв. Пары азотной кислоты, аналогично оксидам азота, вызывают раздражение дыхательных путей, одышку и при вдыхании большого количества — отек легких. Пары азотной кислоты ядовиты даже при малых концентрациях. При больших концентрациях пары азотной кислоты вызывают удушье.

Предельно допустимая концентрация паров азотной кислоты в воздухе производственных помещений в пересчете на NO2 — 2 мг/м3.

По физико-химическим свойствам кислота азотная неконцентрированная должна соответствовать нормам и требованиям, указанным в приведенной таблице 1. Азотная кислота является энергичным окислителем. Животные и растительные ткани при воздействии азотной кислоты разрушаются.

Азотная кислота неогранично растворима в воде, при растворении выделяется тепло. Азотная кислота гигроскопична. На воздухе сильно дымит, выделяя оксиды азота и пары азотной кислоты, которые образуют с влагой воздуха туман. Пары азотной кислоты в 2,2 раза тяжелее воздуха.

Таблица 1 — Нормы и требования по азотной кислоте.

1.3.2 Катализаторы Таблица 2 — Катализаторы.

1.3.3 Вспомогательные материалы Природный газ горюч, не имеет запаха, удельный масса — 0,72? 0,78 кг/м3. Температура воспламенения +530 °С Концентрационные пределы взрываемости — 5,0? 15,0% объемных (по метану). ГОСТ 5542– — 87. В больших концентрациях приводит к удушью из-за недостатка кислорода в воздухе. В производстве применяется в качестве топлива подогрева «хвостовых» газов.

Азот — бесцветный газ, не имеющий запаха, легче воздуха, плохо растворяется в воде. Плотность по отношению к воздуху — 0,97. Не поддерживает горение. Атмосфера, обогащенная азотом, опасна для человека, так как с увеличением азота в воздухе, уменьшается количество кислорода, что вызывает удушье. ГОСТ 9293– — 86.

Азот — применяется для продувки аммиачных трубопроводов и аппаратов при подготовке к ремонту, для продувки коммуникаций природного газа и азотоводородной смеси.

1.3.4 Побочные продукты.

" Хвостовые" газы В их состав входит оксид углерода (угарный газ) — бесцветный горючий газ без запаха, легче воздуха. В смеси с воздухом и кислородом образует взрывоопасную смесь. Предел взрываемости от 12,5% до 74% объемных.

1.4 Описание технологической схемы установки. Нормы технологического режима Жидкий аммиак поступает в испаритель комбинированного аппарата подготовки аммиака (КАПА) который состоит из трех аппаратов:

— испарителя аммиака;

— фильтра тонкой очистки;

— подогревателя газообразного аммиака.

В испарителе КАПА жидкий аммиак испаряется за счет подачи пара с давлением 0,5 МПа. После испарителя газообразный аммиак проходит через фильтры патронного типа, где очищается от масла, катализаторной пыли, соединений железа.

Затем газообразный аммиак направляется в подогреватель, где нагревается паром с давлением 0,5 МПа до температуры не менее 70 0С и поступает в смеситель.

Воздух в количестве засасывается из атмосферы через агрегатную воздухозаборную трубу аппарата очистки воздуха. В аппарате очистки воздуха происходит очистка воздуха от механических примесей на фильтрах грубой и тонкой очистки.

Очищенный от пыли воздух поступает на всас компрессора газотурбинной установки ГТТ-3М. Компрессор осевого типа приводится в движение газовой турбиной и имеет с ней общий вал. В осевом компрессоре воздух сжимается до давления 0,29 МПа, в результате чего, нагревается до 1900С. Из осевого компрессора воздух поступает в промежуточный двухсекционный воздухоохладитель, где охлаждается до 70−800С и направляется в нагнетатель. Нагнетатель (скорость вращения 7400 об/мин приводится во вращение через редуктор, который с одной стороны имеет привод от электродвигателя (3000 об/мин), а с другой стороны — от газовой турбины (5100 об/мин).

Нагнетатель центробежного типа, с двумя ступенями сжатия. В нагнетателе воздух компримируется до 0,63 МПа (изб.), нагреваясь при этом до 900С, и направляется в технологический цикл и на собственные нужды газотурбинной установки.

Поток воздуха, используемый на собственные нужды турбины, разветвляется на два потока. Основной поток воздуха собственных нужд сбрасывается через камеру сгорания ГТТ-3М на газовую турбину с целью охлаждения «хвостовых» газов после реактора. Другой поток воздуха используется на уплотнение и охлаждение турбины.

Воздух, направляемый на технологические нужды, разветвляется на три потока:

1. Основной поток идет на конверсию аммиака.

2. В продувочную колонну для отдувки оксидов азота из продукционной кислоты.

3. Воздух в трубопровод нитрозного газа для повышения степени окисленности газа в количестве.

Основной поток воздуха после нагнетателя турбокомпрессорного агрегата направляется в смеситель.

Газообразный аммиак подогретый до температуры не менее 70 0С так же поступает в смеситель. Образовавшаяся в смесителе аммиачно-воздушная смесь с содержанием аммиака 9,5 11,0% об. и температурой 140−190 0С проходит очистку в фильтрах тонкой очистки на основе базальтового волокна.

Тонкая очистка аммиачно-воздушной смеси повышает степень конверсии аммиака и предотвращает преждевременное отравление платино-родиево-рутениево-палладиевого катализатора.

Аммиачно-воздушная смесь вводится в кольцевое пространство в средней части контактного аппарата, образованное двумя конусами, подогревается за счет тепла реакции на сетках контактного аппарата, затем заходит сверху во внутренний конус и поступает на платино-родиево-рутениево-палладивые сетки, где при температуре 880−910 0С происходит окисление аммиака с образованием оксидов азота, паров воды и элементарного азота.

Образующиеся при окислении аммиака горячие нитрозные газы (NO, N2, H2O) с содержанием NO 9 — 9,6% об. поступают в котел-утилизатор /поз.4, который является продолжением контактного аппарата, связан с ним через переходной конус.

В котле-утилизаторе за счет охлаждения нитрозных газов с 880−9100С до 230−3200С происходит испарение деаэрированной химочищенной воды с получением пара давлением до 1,3 МПа и температурой 230−2750С. Для поддержания температуры нитрозного газа перед подогревателем «хвостового» газа в пределах 260−350 0С часть нитрозного газа байпасируется из входной камеры в выходную камеру котла утилизатора.

Для питания котла-утилизатора и получения пара используется питательная вода.

После котла-утилизатора нитрозный газ проходит двухступенчатое рекуперативное охлаждение в подогревателях «хвостового» газа и до температуры 150−185 0С.

Для увеличения степени окисленности нитрозного газа в коллектор нитрозного газа после подогревателя «хвостового» газа подается добавочный воздух в количестве.

Нитрозный газ после подогревателя «хвостового» газа поступает в два последовательно установленных на этажерке холодильника — конденсатора .

В холодильниках — конденсаторах нитрозный газ охлаждается до температуры 30 д. 50 0С. Здесь же происходит конденсация водяных паров, частичное окисление оксида азота до диоксида азота и образование азотной кислоты концентрацией 50%.

Слабая азотная кислота из холодильников-конденсаторов отводится в абсорбционную колонну на одну из тарелок с соответствующей концентрацией кислоты.

После холодильников — конденсаторов нитрозный газ поступает в нижнюю часть абсорбционной колонны под первую тарелку, и проходят последовательно все тарелки.

Абсорбционная колонна имеет 47 ситчатых тарелок. Для отвода тепла реакции на 31 тарелке (считая снизу колонны) уложены змеевики, по которым циркулирует охлаждающая оборотная вода.

Сверху на 47 тарелку подается паровой конденсат. Образующаяся азотная кислота перетекает на нижележащие тарелки, двигаясь навстречу потоку нитрозного газа. За счет поглощения оксидов азота концентрация кислоты увеличивается и на выходе из куба абсорбционной колонны составляет не ниже 55,0% вес. Благодаря пенному режиму на тарелках обеспечивается хороший тепломассообмен. В верхней части колонны над 47 тарелкой установлено сепарирующее устройство сетчатого типа из проволоки диаметром 0,3 мм для отделения брызг азотной кислоты от «хвостовых» газов.

Кислота из абсорбционной колонны с содержанием растворенных оксидов азота до 1% самотеком направляется в продувочную колонну, в которой на трех ситчатых тарелках, с помощью горячего воздуха, подаваемого нагнетателем, из нее отдуваются растворенные оксиды азота.

Отдувочные газы из продувочной колонны поступают под шестую тарелку абсорбционной колонны.

Отбеленная кислота из продувочной колонны выдается на склад слабой азотной кислоты или в цех амселитры, минуя хранилища склада.

Выходящие из абсорбционной колонны непоглощенные оксиды азота и инертные газы («хвостовые» газы) с температурой не более 35 0С и содержанием кислорода 2,0 5,0% об., оксида азота не более 0,1- 0,15% об. поступают в центробежный сепаратор «хвостовых» газов для отделения брызг кислоты от газа, затем в подогреватель «хвостовых» газов, где теплом нитрозных газов подогреваются до 115−145 0С, в подогревателе «хвостовых» газов до температуры 220−280 0С. Далее «хвостовой» газ поступает в реактор селективной очистки.

В реакторе селективной очистки на катализаторе, содержащем оксид ванадия, происходит восстановление оксидов азота газообразным аммиаком.

После реактора очищенные «хвостовые» газы с температурой 3000С, С содержанием оксидов азота не более 0,005% об., аммиака — не более 0,015%. поступают в кольцевой канал камеры сгорания турбины УКСТ-700. До пламенной трубы они смешиваются с воздухом неиспользованным в технологическом процессе, поступающим через пневмоклапан после нагнетателя.

В камеру сгорания турбины подводится топливный природный газ.

Предназначение камеры сгорания — повысить температуру «хвостовых» газов перед турбиной ГТТ-3М до температуры не более 700 0С.

Через регулирующий клапан к горелке подводится воздух от нагнетателя с расходом, обеспечивающим соотношение топливный газвоздух близкое к стехиометрическому (1:10).

Давление очищенных «хвостовых» газов на входе в газовую турбину ГТТ-3М составляет 0,540,57 МПа. В газовой турбине происходит расширение газов до давления 0,007 МПа. Температура их снижается до 410 0С, при этом вырабатывается мощность, потребная для компремирования воздуха до давления 0,73 МПа .

Для увеличения объема рабочего тела и снижения температуры, поступающих в турбину газов предусмотрена подача пара в количестве до 10 т/час в линию газов перед турбиной и в УКСТ-700 для уменьшения образования оксидов азота.

После газовой турбины «хвостовые» газы с давлением 0,006 МПа (изб.) и температурой до 410 0С поступают в котел-утилизатор «хвостовых» газов, в котором при их охлаждении образуется пар с давлением до 1,3 МПа (изб.) и температурой 230 250 0С, далее «хвостовые» газы проходят чугунный и стальной экономайзеры, в которых за счет тепла отходящих «хвостовых» газов подогревается питательная вода, используемая для питания котлов-утилизаторов.

После экономайзеров «хвостовые» газы с температурой не более 185 0С и давлением 0,001 МПа через коллектор поступают к выхлопной трубе.

Нормы технологического режима Производство азотной кислоты является непрерывным: все основные аппаратытехнологической схемы соединены последовательно. При нарушении режима одного аппарата нарушается режим работы последующих аппаратов, увеличивается расход сырья, электроэнергии, воды, топлива, ухудшаются условия труда и в целом снижаются технико-экономические показатели производства.

Качественные и технико-экономические показатели производства азотной кислоты зависят, прежде всего от точности соблюдения технологического режима. Нарушения его приводят к понижению производительности и ухудшению качества продукции.

аммиак неконцентрированный азотный кислота.

Таблица 3 — Нормы технологического режима.

1.5 Конструкция основного аппарата и вспомогательного оборудования.

1.5.1 Выбор конструкции основного аппарата В производстве неконцентрированной азотной кислоты применяются следующие конструкции контактных аппаратов:

Контактный аппарат с верхней подачей аммиачно-воздушной смеси. Высота-4200мм. Диаметр-2800. Картонный фильтр, расположенный в верхней части аппарата, имеет диаметр 3020 мм, высоту 1528 мм и содержит несколько кассет. Пройдя кассеты, газовая смесь через окна поступает во внутренний цилиндр и далее во входной конус конвертора.

В месте перехода конической части конвертора в цилиндрическую расположена решетка диаметром 2890 мм, которая служит для создания равномерного потока газовой смеси. Диаметр рабочей части катализаторных сеток 2800 мм. Сетки опираются на колосники, ниже их на решетке располагается слой металлических колец высотой 250 мм. Нижняя часть конвертора футерована жаростойким кирпичом и присоединяется непосредственно к верхней части котла-утилизатора прямоточного типа.

Контактный аппарат совмещенный с котлом-утилизатором Высота 5570 мм. Диаметр аппарата 4000 мм. Сжатый воздух подается в аппарат и проходит по кольцевому зазору между внутренним корпусом реакционной части и силовым корпусом аппарата и поступает во встроенный в верхней части смеситель, где осуществляется смешение воздуха с аммиаком. Аммиачно-воздушная смесь (АВС) по центральному патрубку через конический распределитель поступает на фильтр АВС и после него на огнепреградительную насадку-платиноидные сетки. Образовавшиеся нитрозные газы с температурой 850 0С проходят через пакеты змеевиков пароперегревателя и испарителя котла-утилизатора, и по зазору между корпусом котла и аппарата выводятся из аппарата при температуре 300 — 3500С.

Контактный аппарат, имеющий корпус с эллиптической крышкой, изготовленный из нержавеющей стали.

Крышка снабжена штуцером для входа аммиачно-воздушной смеси. Внутри корпуса размещено устройство для равномерного распределения газовой смеси, состоящее из перфорированных пластин. Платиноидные сетки расположены на тонком слое колец Рашига из оксида алюминия, которые уложены в корзину из нержавеющей стали. Корпус снабжен фланцем для соединения с котлом-утилизатором. Оснащен устройством для розжига платиновых сеток.

Контактный аппарат, работающий под повышенным давлением представляет собой два конуса, верхней — в виде усеченного конуса диаметром 2200 мм и нижній-цилиндрической части, вставленных один в другой. Между конусообразной и цилиндрической частями в специальной кассете расположены 12 платиновых катализаторных сеток. Кассета с катализаторными сетками установлена на распределительной решетке. Под ней на колосниковой решетке размещен слой керамических колец, уложенных правильными рядами высотой 200 мм. АВС поступает в пространство между конусами, поднимается вверх и направляется во внутренний открытый сверху конус. Смесь проходит распределительный слой колец Рашига, расположенный на решетке. Это позволяет обеспечить одинаковую плотность потока газа по всему сечению катализаторных сеток.

Сетки опираются на колосники. Под ними находится также слой колец Рашига, выполняющий роль теплового аккумулятора, благодаря которому можно после кратковременной остановки запускать конвертор в работу, не прибегая разогреву сеток. Одновременно на кольцах осаждаются наиболее крупные частицы платиноидного сплава, уносимыми нитрозными газами. Этот слой колец поддерживается колосниками, лежащими на кирпичном своде.

Для измерения температуры газов используют термопары, расположенные по окружности под углом 90°: четыре — до катализатора и четыре — после него.

Пробы для анализа газов отбираются через трубки (8 шт.), размещаемые по окружности аналогично термопарам: четыре — для отбора аммиачно-воздушной смеси, четыре — для отбора нитрозных газов.

Для визуального наблюдения за накалом сеток во время розжига и за их состоянием во время работы аппарата служат смотровые стекла (4 шт.), расположенные по окружности под углом 90°. В верхней части наружного корпуса на штуцере между фланцами закреплена предохранительная пластинка, которая разрывается в случае внезапного повышения давления внутри конвертора и тем самым предохраняет аппарат от разрушения.

Рабочий диаметр катализаторных сеток 1600 мм, количество загружаемой платины примерно 20 — 30 кг. Аппарат изготовлен из нержавеющей стали Х18Н10Т, его производительность 1500 т/сутки. Температура подогрева аммиачно-воздушной смеси 250 — 2800С, температура контактирования 900 — 9100С. Розжиг катализатора производится азотоводородной смесью, подаваемой с помощью поворотной горелки (запальника).

В данном дипломном проекте применяется конструкция контактного аппарата работающего под единым повышенным давлением 0,73 МПа.

Характеристика вспомогательного оборудования Подогреватель «хвостовых» газов — теплообменник. Высота аппарата — 7240 мм, диаметр-1400 мм, поверхность теплообменника — 440 м², толщина стенки — 8 мм, днища — 12 мм. Емкость: а) трубной части аппарата- 3,6 м³ (3600 л);

б) межтрубной части аппарата — 4,3 м³ (4300 л). Ррасчт. — 0.73 мПа, скорость коррозии аппарата- 0,1 мм/год, срок службы аппарата — 8 лет. Аппарат изготовливают из сталей НЖ или Х18Н10Т.

Совмещенный аппарат смесителя с базальтовыми фильтрами. Высота аппарата- 7900 мм, диаметр верхней части — 2800 мм, диаметр нижней части — 1600 мм. Толщина стенки — 16 мм, нижней части — 16 мм. Емкость — 28,7 м³ (28 700 л), Ррасчета — 0.73 мПа, Ррабочее- 0.73 мПа; Т раб.- 150−2700С, Скорость коррозии — 0,1 мм/год. Скорость эксплуатации — 8 лет. Аппарат изготовлен из стали Х18Н10Т, днища и обичайки из стали 0Х13.

Котел-утилизатор Г-420 БПЭ. Длина аппарата — 11 030 мм, диаметр аппарата-2400 мм, толщина стенки — 20 мм, паропроизводительность — 25 т/ч, поверхность нагрева пароперегревателя — 5,9 м², испарительной части — 420 м², дымогарных труб — 480 шт., o — 50×3. Ррасчета пара в барабане — 16 ати (1,7 ПМа). Ррасчета пара после пароперегревателя — 15 ати (1,6 МПа). Трасч. пара — 2500 С. Объем котла — 24 м³ (24 000 л).

Котел-утилизатор Г-335 БП. Длина аппарата — 10 090 мм, диаметр аппарата — 2400 мм, толщина стенки — 20 мм, паропроизводительность аппарата — 24 т/ч. Поверхность нагрева: котла -335 м2, пароперегревателя- 5,7 м². Количество дымогарных труб — 480 шт., диаметром 50×3.

Ррасч.пара -1,5 МПа; Ррасч. пара после пароперегревателя -1,5 МПа; Температура расч. пара — 2500 С. Объем котла — 32,5 м³ (32 500 л). Ст.20К.

Холодильник-конденсатор. Высота аппарата -6430 мм, диаметр аппарата — 2000 мм;, толщина стенки — 10 мм, толщина стенки — 10 мм; V тр.-8,5 м³; масса — 12 877 кг. Срок службы — 8 лет. Изготавливают из стали 12Х18Н10Т.

1.6 Автоматизация производства. Аналитический контроль. Отходы производства.

1.6.1 Автоматизация производства Выбор средств контроля и управления процессом.

1) Значение автоматического контроля и управление процессом.

Получение неконцентрированной азотной кислоты под давлением 0,73МПа — сложный физико-химический процесс, характеризующийся высокими скоростями протекания химических реакций, токсичностью используемого сырья. Эти обстоятельства исключают возможность ручного управления процесса, и диктуют необходимость применения надежных и быстродействующих систем автоматизированного контроля и регулирования.

Их внедрение обеспечивает безаварийную и бесперебойную работу технологического оборудования, безопасность обслуживающего персонала, значительно повышает экономическую эффективность производства за счет уменьшения материальных и энергетических затрат, повышая производительность труда.

Предпологаемый в дипломном проекте вариант автоматизации основан на типовых решениях и с учетом изменений и дополнений, внесенных в него, обеспечивает все перечисленные функциональные свойства объекта.

Функцмональная схема автоматизации показывает, что часть приборов КИПи, А (первичные преобразователи температуры, расхода,) распологаются непосредственно на технологическом оборудовании.

Другая часть приборов (измерительные преобразователи давления, расхода) размещаются в специальных помещениях датчиков (ящиках КИП). Остальная аппаратура, необходимая для управления процессом, сконцентрирована на щите ЦПУ. За щитом в ЦПУ на специальных панелях установлены устройства специального назначения: нормирующие преобразователи, релейные элементы схем сигнализации, блокировки и так далее. Непосредственно регулировать процессы можно с центрального щита, телефонной связью, которая позволяет давать указания аппаратчикам.

2) Выбор параметров, подлежащих регулированию.

В узле окисления аммиака необходимо создать условия для получения качественного продукта, то есть нитрозных газов, с большим содержанием оксида азота. Для этого необходимо регулировать подачу аммиачно-воздушной смеси в контактный аппарат.

Необходимо регулировать температуру на катализаторных сетках, так как повышение температуры приводит к увеличению скорости реакции. Это помогает поддерживать оптимальный температурный режим. Предотвращает прогорание сеток.

Регулирование выхода перегретого пара из котла-утилизатора, помогает избежать перерасхода пара, в свою очередь предотвращает коррозии змеевиков.

3) Выбор параметров, подлежащих контролю.

Для более полной информации о ведении технологического процесса необходимо контролировать следующие параметры процесса: давление в контактном аппарате; пара получаемого в контактном аппарате; температуру пара в камере сгорания; пара из котла-утилизатора; температуру аммиачно-воздушной смеси; температуру «хвостовых» газов в подогревателях; температуру нитрозного газа в котле-утилизаторе; уровень воды в котле-утилизаторе; уровень воды в абсорбционной колонне; концентрацию азотной кислоты.

Выбор сигнализируемых величин Сигнализации подлежат параметры, предельные значения которых могут привести к пожару, взрыву, аварии, выходу из строя оборудования, несчастным случаям. Для исключения откланения от НТР необходимо сигнализировать следующие параметры:

— максимальная и минимальная температура в газовой турбине, в нагнетателе;

— минимальный расход аммиака;

— максимальный и минимальный уровень воды в котле-утилизаторе, уровень аммиака в комбинированном аппарате подготовки аммиака, уровень кислоты в продувочной колонне ;

— максимальное давление воздуха на выходе из газовой турбины, из нагнетателя.

5) Выбор параметров защиты и блокеровки При достижении отдельными параметрами критических значений, в схеме автоматизации предусмотрено автоматическое сбрасывание системы противопожарной защиты, которая переводит объект в безопасное состояние путем отключения агрегата от коммуникаций, это производится с помощью быстродействующих клапанов-отсекателей.

Во избежании возникновения аварийных ситуаций и для нормальной и безопасной работы обслуживающего персонала необходимо иметь блокировку следующих параметров:

— температуру воздуха;

— расход воздуха и аммиака;

— уровень деаэрированной воды.

6) Выбор средств автоматизации процесса Выбор пневматической ветви ГСП определяется условиями пожаро — и взрывоопасности производства, агрессивностью применяемых веществ. Это решение не входит в противоречие с таким фактом, как допустимое значение сигнала в командных линиях, поскольку все технологическое оборудование расположено компактно в радиусе 70 м от ЦПУ и быстродействие систем останется в пределах нормы.

По информационной насыщенности и характеру технологического процесса получения неконцентрированной азотной кислоты можно отнести к объектам повышенной сложности, поэтому для управления процессом необходимо применять АСУ ТП. Для контроля и регулирования одинаковых параметров применены аналогичные приборы и компоненты, что облегчает настройку, ремонт и эксплуатацию оборудования.

1.6.2 Описание функциональной схемы автоматизации технологического процесса.

Для измерения давления в контактном аппарате и газообразного аммиака на входе в смеситель используют комплект приборов, состоящий из измерительного преобразователя Сапфир 22ДИ поз. 1 — 1, 1 — 3 и измеритель-регулятора ТРМ — 4 М поз. 1 — 4.

Для измерения и регулирования давления пара используют комплект приборов, состоящий из измерительного преобразователя Сапфир 22ДИ поз. 1 — 2; нормирующего преобразователя Астра — 4 М поз 1 — 5; измеритель-регулятора ТРМ — 4 М поз. 1- 4 и мембранного измерительного механизма (МИМ) поз. 1 — 6.

Для измерения и регулирования расхода газообразного аммиака, воздуха, используется комплект приборов, состоящий из диафрагмы ДК поз. 2 — 1, 2 — 2, 2 — 3; измерительного преобразователя Сапфир 22ДД поз. 2 — 4, 2 — 5, 2 — 6; измеритель-регулятора ТРМ — 8 М поз. 2 — 7; нормирующего преобразователя Астра 8 М поз. 8 — 8 и МИМ поз. 2 — 9, 2 — 10, 2 — 11.

Для измерения температуры воздуха, очищенного «хвостового» газа, АВС, хвостового" газа из подогревателя, в котле-утилизаторе, газообразного аммиака, нитрозного газа используется комплект приборов состоящий из термопары ТХА поз. 3 — 1? 3 — 16 и измеритель-регулятора ТРМ — 8 М поз. 3 — 9, 3 — 17.

Для измерения уровняжидкости в котлах-утилизаторах, абсорбционной еолонне, продувочной колонне используется комплект приборов, состоящий из измерительного преобразователя Сапфир 22ДУ поз. 4 — 1? 4 — 4 и измеритель-регулятора ТРМ — 4 М поз. 4 — 5.

Для измерения концентрации кислоты и нитрозных газов используется комплект приборов, состоящий из концентратомер ПЖК поз. 5 — 2, 5 — 3, 5 — 4 и измеритель-регулятора ТРМ — 8 М поз. 5 — 5.

Для измерения и регулирования концентрации азотной кислоты используется комплект приборов, состоящий из концентратомера ПЖК поз. 5 1, измеритель-регулятора ТРМ — 8 М поз. 5 — 5, измерительного преобразователя Астра 8 М поз 5 — 6 и МИМ поз. 5 — 7.

1.6.3 Аналитический контроль Анализ сырья и готового продукта — азотной кислоты осуществляется известными методиками, в которых изложена сущность и химизм процессов, ход выполнения анализов, методики выполнения измерения. Методы контроля в производстве азотной кислоты можно условно подразделить на ручные и автоматические.

К ручным методам контроля относят проведения химических анализов, путем отбора проб сырья, полупродуктов, а затем проводиться химическая обработка пробы и делаются соответствующие вычесления. Результаты химического анализа получают через несколько часов с момента отбора пробы. При автоматических методах контроля, измерения проводят непрерывно. Методики выполнения измерений должны быть аттестованы в установленном порядке.